冶金行业)KBR的煤制合成氨新工艺(NH)20XX年XX月KBR 的煤制合成氨新工艺摘要KBR传愉床气化炉（也称之为TRIG）是壹种先进的煤气化技术，可提供干净、无 颗拉的合成气TRIG是壹种紧凑的加压循环流化床反应器，无内部或移动部件其 运行和机械设计源自KBR的流化催化裂化（FCC）技术，该技术已有60多年的成功商 业运营经验描述了煤制合成氛的KBR新工艺，其中TRIG作为KBR合成氛装里流 程中的壹部分，向壹个典型的 1500t/d 的合成氨回路提供氮气论述了基于 TRIG 特性的工艺整合和优化要素，以实现稳定高效的煤制合成氛工厂设计关键词:KBR传输床，气化炉，煤气化,新工艺0 前言 煤气化是指在高温、高压、蒸汽以及有限的氧气存在的情况下，将煤炭分解气化的 过程通过限制氧气的量，可避免煤的完全燃烧，使煤炭分解成更有价值的合成气（主 要成分是壹氧化碳和氢气）在合成氨生产工艺中，煤要尽量多地转化为氢气;煤气化 产生的粗合成气和蒸汽发生催化变换反应，将其中的壹氧化碳转化为二氧化碳，同 时产生更多的氢气用于氨合成煤气化的实际化学原理相当复杂，目前其基本依据是煤炭的非催化部分氧化反应， 通常在高温耐火衬里容器内进行。
在煤气化过程中会产生多种副产品，煤中的硫大 多转化为硫化氢和氧硫化碳，氮转化为氨和氰化氢煤的燃烧程度取决于输送至气 化炉的氧气量气化炉壹般在绝热状态下工作，放热反应产生的热必须和吸热反应 消耗的热以及原料升温至反应温度所需热量保持平衡反应温度通常通过向气化炉 内添加水或蒸汽来进行控制1KBR 传输床气化炉KBR传输床气化炉（也称之为TRIG''）是壹种先进的循环流化床反应器，没有内部或 移动部件，可在空气和氧气俩种模式下工作 TRIG 的机械设计和操作是基于 KBR 的流化催化裂化（FCC）技术，已有60多年的成功商业运行经验和传统的循环流化 床相比，TRIG的固体循环速率和气体流速要快很多，提升管密度要大很多，因此具 有较高的生产能力和碳转化率、混合均匀、传热和传质速率较快等特点20世纪90年代中期，KBR在美国阿拉巴马州威尔逊维尔投运了工程规模为50t/d 的示范装置，已成功气化多种煤（包括烟煤、次烟煤和褐煤）TRIG的独特优势是其 能在空气和氧气俩种模式下工作:空气模式适用于IGCC发电;氧气模式提供合成气， 用于多种化学品和燃料的生产目前正在设计美国密西西比州的600MWIGCC电厂， 采用褐煤气化，设计2台TRIG在空气工况下且行工作，单炉日处理煤量3750t。
TRIG分为造渣式和无渣式2种造渣式TRIG采用高温气化，高温下煤灰产生的熔 渣沿着气化炉内壁向下流人单独的炉腔，用循环水急冷和固化，固体废料定期清除 和处理无渣式TRIG在中温下工作，因此适用于煤灰和水含量较高的低阶煤;TRIG 的中温操作可减少耗氧率，从而降低空分装置（ASU）的相关成本和用电量;另外，对 低阶煤，TRIG可提供高碳转化率，同时确保不会产生焦油和其它商业气化炉相比，TRIG具有多方面的优点如图I所示，KBR传输床气化炉（TRIG）由混合区、提升管、旋风分离器、返料机构、 立管和J管组成蒸汽和氧气（或空气）分别通过2根管线进料，且在混合区和立管返 回的循环固体混合在混合区内，循环固体中未转化的碳被进壹步燃烧，产生的热 量用于气化反应新鲜煤由混合区上方进料，避免在混合区内和氧提前燃烧煤气 化反应主要在新鲜煤进料注人点上方的提升管内进行，产生的合成气和固体共同沿 提升管上升，通过 I 个横向弯头或弯管进人第 I 级旋风分离器，通过重力和（或）离心 力清除混合物内大部分的颗粒气体和剩余固体随后进人第 2 级旋风分离器，可清 除大部分固体颗粒合成气由第2 级旋风分离器顶部排出装置，进人余热回收锅炉。
旋风分离器收集的固体通过返料机构、立管和 J 管循环进人气化炉的混合区为了 避免煤灰积聚，TRIG提供了粗煤灰连续排放系统和传统流化床气化炉不同，TRIG采用类似于FCC装置的高循环比，其循环倍率（固 体循环流量/投煤量）达到 50 壹 100这使整个气化炉近乎在恒温下操作，且且具有 极大的热容量，由此气化反应可均匀而充分地进行，因此TRIG操作也非常稳定图IKBR传输床气化炉（TRIG）结构简图2KBR 煤制合成氨工艺在KBR煤制合成氨工艺中专有的TRIG技术被整合到传统的KBR合成氨回路KBR 煤制合成氨的工艺流程如图 2 所示图 2KBR 煤制合成氨工艺流程框图当生产合成氨时，气化炉采用纯氧作气化剂，以降低下游处理装置的负荷以合成氨装置生产能力 1500t/d 为例，其合成圈和 KBR 几年前设计的 1500t/d 以 天然气为原料的合成氨装置相同，该装置位于中国海南省且于2003年投产同时， 1500t/d的生产能力也和密西西比IGCC发电厂项目所用的TRIG的规模相同TRIG适用于多种原料煤，尤其是低阶煤假定TRIG使用美国波德河盆地（PRB）煤（是 美国最常见的采矿煤，属次烟煤），和其它烟煤或无烟煤相比，PRB煤是低阶煤，其 热值和硫含量都比较低。
PRB煤（人厂）低热值（LHV）约为19000kJ/kg〃PRB煤（人厂）的典型成分分析见表 1表 1PRB 煤(入厂)的典型成分分析成分质量分数/%C51074O11.52H3.41N0.71S0.26CL0.01F0.01水分27.21灰分5.132.1 合成气制取2.1.1 预处理和进料原料煤破碎至所需粒度后，进料至煤炭干燥机由于TRIG比其它气化炉接收的煤炭 颗粒大，因此破碎煤的能耗较低煤粉经干燥后进人气化炉煤储箱，以循环合成气 作为传输流体，通过锁斗进人加压TRIG装置煤粉的进料点要稍高于气化炉混合区， 便于进人气化炉后形成流化态用PRB煤为原料时，按干燥无灰基(MAF)计算，吨 氨煤耗约为 1.45t2.1.2 空分装置KBR的煤制合成氨工艺采用氧气作为氧化剂氧气由空分装置(ASU)提供，气化选 用的氧气纯度约为体积分数 98%该氧气纯度能够有效地平衡空分装置和下游加工 设备的负荷和成本，同时兼顾整个工厂的生产能力氧气内的主要杂质是氢气和氮 气，在约 4100kPa 和室温下进人气化炉空分装置同时向下游合成氨系统提供 2400kPa、室温的纯氮气(体积分数＞99.999%)。
由于TRIG耗氧量低，空分装置的 负荷和用电量也较其它气化炉低对1500t/d的合成氨装置，需氧量约为1800t/d， 用氮量约为1300t/d，空分装置耗电量为35壹40MW.2.1.3 煤气化半干煤粉、氧气和蒸汽进人TRIG的混合区附近，且在混合区内和循环固体接触煤 气化反应发生在高速气流通过的流化床内通过控制氧气的流量，能够有效地控制 煤在气化炉内的燃烧蒸汽作为反应物和调节剂，将反应温度控制在980工左右 生成的合成气随同剩余的未气化固体沿着提升管进人分离器，合成气内较大的固体 颗粒在第 1旋风分离器内脱除，剩余的较小固体颗粒经第2 旋风分离器分离脱除后 返回立管，且和先前脱除的大颗粒混合，循环返回气化炉混合区在立管底部连续 排出少量粗煤灰，以避免气化炉内积聚固体基本不含固体颗粒的合成气由第 2 旋风分离器顶部离开气化炉进人合成气主冷 却器，其温度约为980工，压力为3585kPa下游流程的少许冷却合成气返回气化 炉，用于输送煤粉且用作气化炉内的流化气离开气化炉的合成气的成分取决于所 用煤种用氧气作气化剂时，PRB煤出口合成气的典型成分见表20表2TRIG用PRB煤和氧气生产合成气的典型成分成分体积分数（干基）co/%45.0-50.0h2/%30.0-35.0co2/%13.0 壹 18.0ch4/%1.0 壹 5.0nh3/%0.1 壹 1.0n2/%0.1 壹 0.5Ar/%0.1-0.5H2S/x10-6500 壹 1000HCN/x10-650 壹 300COS/xlO-610 壹 100HF/x10-610 壹 50HCI/x10-610 壹 502.1.4 余热回收出 TRIG 的合成气温度约 980%，和传统的二段炉出口温度相当。
气体通过专门 设计的高压蒸汽余热锅炉和高压蒸汽过热器，高等级的热量被过热高压蒸汽回收 根据整个工厂的蒸汽系统使用情况，余热锅炉和高压蒸汽过热器之间的负荷分配可 进行优化最终合成气被冷却至约370工2.1.5 颗粒物控制余热回收后，合成气流经I个KBR专有颗粒物控制装置（PCD），用于脱除合成气内 剩余的颗粒物（如细煤灰）脱除细颗粒物是气化炉系统的重要组成部分，因为合成气 内的细颗粒可能会污染或腐蚀下游设备，导致设备性能降低甚至发生故障专有颗粒物控制装置(PCD)结构如图3所示PCD采用硬质栅栏式滤芯，可基本消 除合成气流内全部细微颗粒物当过滤器积聚的颗粒达到饱和时，可用循环合成气 进行吹扫清除每个滤芯下游安装了 1 个保护装置，用以保障在滤芯出现故障时下 游设备免受颗粒物损坏脱除的颗粒物(细煤灰)减压至常压后，通过专有的连续煤灰 移除系统送出装置专有颗粒物控制装置(PCD)是TRIG开发的壹个重要组成部分，可确保产生的合成气 不含任何颗粒物由于采用干法脱粒，无需配置其它气化工艺所必需的黑水处理系 统KBR已围绕核心TRIG装置开发出多项专有技术，可最大程度回收热量和冷凝 水，这些新技术也可应用于新型煤制合成氨的工艺方案中。
2.1.6 合成气饱和TRIG用PRB煤生产的粗合成气中含壹氧化碳摩尔分数为40%壹50%为满足合成 氨工艺要求，壹氧化碳需在变换反应器内和蒸汽进行催化变换反应，将大多数壹氧 化碳转化为二氧化碳和氢气由于粗合成气内含硫，需要采用耐硫催化剂气化炉 出口气体中所含有的蒸汽量不能满足变换反应的要求，因此由合成气饱和塔利用工 艺冷凝水、合成气潜热和其它工段的中、低等级热量，产生变换反应所需要的额外 蒸汽同时，装置通人壹小部分新鲜脱盐水以维持水平衡饱和塔的底部连续排放 部分污水，且送人工艺冷凝水汽提塔图3专有颗粒物控制装置(PCD)结构2.1.7 酸性气体变换 饱和塔的顶部气体和少量中压蒸汽混合后，酸性气人口的水气摩尔比为1.0壹1.3 经过二段变换反应，合成气中 95%之上的壹氧化碳转化成二氧化碳和氢气另外， 合成气内的氧硫化碳基本完全水解为硫化氢变换反应产生的热量用于预热进料、 上游合成气饱和塔再沸器、饱和塔进料水、酸性气脱除装置再沸器以及锅炉给水， 变换气最终通过冷却水冷却分离出的工艺冷凝水循环返回合成气饱和塔工艺冷 凝水产生的闪蒸气中含有大量氨、二氧化碳和硫化氢，返回气化炉变换单元出口 合成气中壹氧化碳最终摩尔分数为 2.0%壹4.0%(干基)。
2.2 合成气净化2.2.1 汞脱除不含冷凝水的合成气流经 1 个汞脱除保护床，通过活性炭吸附合成气中的汞，无汞 合成气随后送至酸性气脱除装置活性炭床要定期更换，吸附汞的活性炭需外送处 理2.2.2 酸性气脱除对 PRB 煤，变换单元出口气中含二氧化碳 35%-45%(摩尔分数，干基)以及硫化氢 (500-1000)x10-6(体积分数)，这些酸性气体大部分在酸性气脱除装置内脱除该装 置由第 3 方供应商提供，吸收溶剂从合成气中选择性地脱除二氧化碳和硫化氢原 料气首先流经1座硫化氢吸收塔，随后经过1座二氧化碳吸收塔稀溶剂进人二氧 化碳吸收塔顶部，且随后逆流流向。